首都生命之源
清华大学水电系助理研究员 李爱兰
清华大学水电系研究员 翟大潜
密云水库库容43亿立方米，是华北地区最大的水库。自建成以来基本解除了潮白河下游的洪水威胁，并成为北京市工农业和人民生活用水的最重要的水源，对首都的经济建设和社会发展发挥了巨大作用。清华大学水利系承担了水库的设计任务；在水库建成后的40多年中仍密切予以关注，又先后承担了抗震加固及安全检查工作。清华大学水利系师生与密云水库结下了不解之缘，始终把密云水库的安全运行、效益发挥和技术进步放在自己的心上。
一、50年代设计与施工
1958年全国大兴水利，北京市兴修了十三陵水库、怀柔水库，继而提出兴修密云水库，以解决潮白河洪水的威胁，并向北京、河北北部、天津广大地区提供灌溉与城市用水。当时全国高等院校均提倡教育为无产阶级政治服务、教育与生产劳动相结合，因此国家决定将密云水库潮河部分的设计交给清华大学水利系等单位承担。水利系组织了1958届毕业班的一半学生（大约近百人），联合电机系、建筑系部分师生，勇敢地承担了该项任务，进行真刀真枪的毕业设计。在周总理的关怀下，在水利电力部北京勘测设计院等单位支持下，完成了初步设计工作。不久国家决定开工，并且把密云水库白河部分也交给清华大学水利系来承担。100多人的设计队伍前往工地，作现场设计。水利系教授张光斗，被任命为设计总工程师，他和施嘉炀，张任，陈祖东等教授均长驻工地和年轻师生一起工作。北京水利水电勘测设计院也派出王祖华、侯建功等有经验的工程师们前来协助。
当时工地条件极为艰苦，20万民工在荒山野地里自搭窝棚，日夜奋战。清华大学100多名师生大多住在地窝子里，日夜加班，赶设计。工程十分浩大，有7座大坝和副坝，2条隧道，2座大溢洪道及2座水电站，在当时是全国最大的水利工地。而时间又非常紧迫，要求一年拦洪（1959年拦洪），两年基本建成。工程完全实行“三边”，即边勘测、边设计、边施工，任务极其艰巨，极其困难。在正常情况下5年勘测设计，5年施工就算很快的了。
以张光斗教授为首的全体设计队师生勇敢地迎着困难上，千方百计要完成党和国家交给的这一任务，在设计方案中提出了许多大胆创新的办法：
（1）用坝下廊道代替隧洞作导流用。
修建土坝，必须将河道中的水流导走，才可在基坑中筑坝。按常规建土坝要在河岸中开挖导流隧洞。但若开挖隧洞，工作面很少，500~600米长的导流洞，在当时3年也做不完。设计组在现场研究，发现白河大坝，东坝头山根下河床中有一狭条地方基岩上覆盖层不厚，可以利用。在此基岩上修建一座长500多米，宽5米，高近6米的导流洞将来不会沉陷，可保证大坝安全，而修建廊道可以全线开工，一起干，工期较短。
当时全国没有一个土坝工程用廊道导流，世界上也很少见，廊道上土压力应是多少，无人知晓。设计组采用了最佳的结构形状，考虑最大可能的压力，设计了这座巨型廊道。边设计、边施工，不到半年就完工通水了，为水库一年拦洪，两年建成创造了条件。
（2）用混凝土防渗墙及灌浆帷幕截断坝下渗流
密云水库的白河、潮河坝址河床宽度均近千米，白河坝下覆盖层砂砾石最大厚度达44米，潮河的也达17米多。修建土坝必须把这层砂砾石截断，以保证大坝安全，并减少坝基漏水。当时一般的办法是人工开挖深槽，回填粘土，并在槽底做混凝土齿墙，做帷幕灌浆。但白河挖深40多米，总方量在300~400万立方米以上，并且是水下挖方，挖完后还要填300~400万立方米，工期长，一年绝对完不成。如果一个非汛期内完不成，洪水来了，又会被淹掉、淤掉，前功尽弃，而且十分危险。当时意大利有一种泥浆固壁、钻孔水下浇筑混凝土桩的办法，我国有一个工程也试做过，但具体情况了解不多，国外技术封锁，国内只是初试，工序很复杂，很慢，而且效果如何，还未经实践检验。张光斗教授在水库指挥部支持及领导下，决定发动师生与技术员工自己来摸索、创造这项新技术。水库指挥部组织了试验组，王可钦等年轻教师参加试验，在白河河滩上开展大规模的试验，在钻头、钻进方法、循环泥浆上不断创新，把单独钻孔变成移动钻机一次打出6米长的槽形孔来，大大节约了造价，加快了进度，保证了质量。除了做混凝土防渗墙试验外，同时还做灌浆试验，在现场打成一个密闭的多边形，然后在中间做压水检验，漏水很少，大获成功。后来就大规模地用在白河大坝上，成百台的钻机，一字排开，日夜施工，用混凝土防渗墙、灌浆及齿槽，在不到2年的时间内胜利地完成了白河大坝基础处理工程，效果很好，截水墙合拢时，几天之内墙前墙后水头差就达到9米；水库蓄水后，墙前墙后最大水头差近70米，即墙后地下水位降到地面以下近20米之深。
密云水库基础处理大队，后来组成了水电部基础处理工程局，承担国内外许多工程的基础处理工作，技术不断进步，90年代承担了长江三峡工程二期围堰的防渗处理，围堰高达90余米，是世界上最大最高最困难的一座围堰。基础局及其他单位取得完全的成功，在这方面的施工水平已在世界上领先。
（3）土坝采用薄的斜墙坝
在50年代，我国已建造了许多土石坝，但几乎都是用粘土心墙作为防渗构造。它虽然有一系列好处，但施工中干扰很大，工程进度较慢，一定要基础处理完了才能填筑坝身，上下游砂壳要和心墙同时上升，冬天冰冻期不能填筑心墙，因此砂壳也不能多填筑，粘土要越过砂壳运到坝中间去，干扰很大。这样密云水库一年拦洪两年建成就决无可能。
设计组决定采用薄斜墙坝的型式，各主副坝下游均用砂砾石坝壳，迎水面用壤土斜墙。张光斗教授根据国内外的理论和实践定出壤土斜墙的允许渗透坡降及接触坡降，提出用内包山与外包山的办法解决壤土斜墙与山头接触处的设计。所有主副坝都按此设计，保证了大坝安全，保证了一年拦洪，两年基本建成。后来全国许多工程都采用了这种坝型，也都取得了很好的效果。
1959年潮白河发水，最大流量达3600秒立米，但是由于各坝已达拦洪高程，洪水被拦在水库内，最大下泄流量不到500秒立米，下游没有受到什么损失。水库建成至今已40年，下游没发生过任何水灾，年年平安。
在密云水库设计与施工中，青年教师吕应三等是张光斗教授的得力助手，他们把张先生的建议、意见以最快的时间变成图纸，并贯彻实施，为工程建设作出了很好的成绩，同时教师队伍也得到锻炼成长。
二、60年代前期的修补工作
1960年汛后，水库基本建成，大队师生均撤回学校，张光斗教授考虑到前两年在大跃进的情况下，有些设计或施工工作可能有不周到之处，因而嘱咐谷兆祺等几位师生继续留在工地，一方面完成所有的扫尾工程，一方面把已做的工程仔细核查一遍，凡有不妥之处，务必加以补救。
谷兆祺等教师在工地又待了3~4年，仔细核查每一本计算书，每一张图纸，每一项观测记录，发现隐患10余处。主要的有：
（1）潮河隧洞出口弧形门支承梁及墙墩配筋不足。
（2）潮河隧洞出口渐变段及分岔管计算图形不正确。
（3）第一溢洪道承受1000吨弧门推力的弧形门牛腿配筋不正确，边墩强度不够。
（4）第二溢洪道承受500吨弧门推力的边墩强度不够。
（5）白河泄洪支洞，承受1000吨推力的弧形门扇形钢筋在施工中漏放。
（6）白河电站屋顶大梁所套用的标准设计有误，大梁裂缝超过允许值3倍多。
（7）走马庄3号副坝浸润线较高，影响走马庄泄洪洞出口边坡及坝基的稳定安全。
（8）潮河大坝北坝头坝基浸润线偏高。这是因为坝头连接设计处理得不周全。
（9）南石骆驼副坝坝下供水廊道的进口塔架受冰压力被剪坏。这是因为设计时考虑冰压力只算柱子截面上所受压力，而实际上冰盖是一整块，冰的膨胀力远不止于柱截面上的一小段。
（10）白河电厂厂房内个别构件强度不足。这是设计不当。
上述各项中有好几项是关于支撑弧形门的牛腿或大梁的。这是因为当年设计时不了解牛腿或支承大梁与支承边墙连接处剪应力的特殊性，认为这些截面上剪应力分布和一般悬臂梁和固端梁一样，即最大剪应力只有平均剪应力的一倍半。而实际上，当时经过半年多的一系列的光弹试验证明（当时还没有有限元分析方法），这些部位应力集中十分严重，最大剪应力是平均剪应力的4~5倍。对于边墩来说，因为弯矩产生的拉应力更大，最大剪应力将是平均剪应力的5~6倍。因此原设计所配横向钢筋均严重不足，结构安全性有问题。
这些加固修补的工作都很重要，若不做好，每一项都会引发严重的后果。这些工作，每一项的工作量虽然都不很大，但难度却很大，受到种种条件的限制，比新做一个工程要困难得多。费了很大的力气，反复考虑各项加固方法，做好设计，花了几年时间，才把这些缺陷弥补好。在此后几十年的运行中，这些地方均没有发生任何问题，这就保证了密云水库的安全运行。
三、唐山地震后的抗震加固
1976年唐山发生特大地震，波及密云水库。白河大坝斜墙上游的保护层抗剪强度降低造成滑坡，近30万立方米的砂砾料滑入水库中。水利部、北京市委紧急要求所有曾参与过密云水库修建的技术人员，立即赶回水库做抗震加固工作。并决定放空白河水库，重修保护层。为此要打开白河导流廊道，重开一条导流放空隧洞。在水库底下进行这些工作，工程十分艰巨，并且有很大的危险性。在这段时间还做了许多研究工作，研究应该用怎样的反滤保护料在强震之下不会发生液化。提出新保护层的材料要求，及加固图纸，历时近二年，完成了这些加固工作。
四、1994年安全检查及抗震加固
1994年夏，密云水库水位超过154.0米，离正常挡水位仅3.5m，是水库建成以来的最高水位，各建筑物受到从未有过的考验。水利系谷兆祺、王树人、王清友等教授前往水库初步检查了各建筑物的工作状况，并上书给北京市政府及北京市委，建议对密云水库做一次较彻底的安全检查。市领导同意了这个要求，委托清华大学水利系承担该任务。在张光斗教授支持下，谷兆祺、王光纶、沈之良等教授组织了30余位当年曾参加过密云水库设计与施工的教师（此时他们大多数都已退休）重返密云，由这些老教授又动员组织了近百名年轻教师、研究生、毕业班学生，从水文、地质、环境到水工建筑、机电设备，从白河到潮河，从原始资料、设计条件、设计计算书、施工图纸到施工验收记录、运行记录、观测报告、现场实测、取样试验。在水库管理处、北京市水利规划设计研究院等单位的配合下，做了两年多的工作，写出安全检查报告、实验研究报告70余册。经专家鉴定，认为在正常条件之下，水库各建筑物可以正常工作，属可正常工作的工程。但在遭遇强烈地震袭击下，潮河大坝及其他几个副坝斜墙上游的保护层仍有滑坡的可能。这个问题是由土力学教研组周景星教授和他的助手、研究生、学生们做了大量的实验、分析、计算后得出的结论。他们用非线性动静应力有限元计算研究了坝基覆盖层深度不同时，砂砾料保护层的动力响应情况不同。他们用大量试验分析了砂砾料级配、密实度、应力比不同时，饱和情况下，在各种地震加速度作用下，抗剪强度变化的规律。最后用上述不同状况、不同参数对原白河大坝、潮河大坝、各副坝作反演计算。他们准确地回答了1976年白河大坝遇到6.5度地震时发生滑坡，而潮河等坝却不滑坡，以及若遇到8度地震各坝是否会滑坡的问题。经过审查，批准潮河等坝应作抗震加固。
1997年之后，水利系受北京水利局委托在市水利规划设计研究院大力配合之下，进行各项抗震加固设计，经审查批准后，付诸实施，历时两年，于1999年底完成各项抗震加固工作。目前还有少量闸门更新、隧洞改建工作正在进行。这次加固工作消除了各项隐患，保证密云水库可在规定的各种恶劣条件下安全运行。另外通过检查对密云水库的安全运行也提出一系列的建议。
密云水库建成近40年来，已向京、津、冀提供了300多亿立方米的用水，解除了这些地区的洪水威胁。目前它已是首都北京的主要水源地，每年向北京提供6~10亿立方米的工业及城市生活、环境用水，占北京年用水量的近2/3（另外1/3是藉超采地下水来应急的）。它可以解决连续3~4个枯水年的用水需要。如果没有密云水库，北京是否能有今日的发展，是否还能成为国家的首都，将成为令人担心的问题。这是清华大学水利系许多师生对国家作出的重要贡献，也是他们体现人生价值的所在。
